CC BY
5
УДК 674.028.9+674.049.2
Хвойные бореальной зоны. 2020. Т. XXXVIII, № 1-2. С. 66-75
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ПРЕССОВАННЫЕ ШИПЫ
О. А. Рублева1, А. Г. Гороховский2, Е. Е. Шишкина2
1 Вятский государственный университет Российская Федерация, 610000, г. Киров, ул. Московская, 36 2Уральский государственный лесотехнический университет Российская Федерация, 620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37 E-mail: olga_ru@vyatsu.ru
Клеевые соединения по длине, широко применяемые в производстве изделий из древесины, в настоящее время изготавливают с применением технологической операции фрезерования шипов. Альтернативный способ формирования шипов способом торцового прессования более экономичен ввиду низкой стоимости инструмента и отсутствия операции удаления отходов. Целью работы является экспериментальное обоснование возможности формирования качественных шиповых соединений на основе технологии торцового прессования древесины. Программа исследований содержит 13 этапов, сгруппированных в 3 последовательно выполненных блока. Реализация программы исследований позволила сформулировать основные технологические требования и рекомендации по режимам обработки. Условиями формирования отпечатков высокого качества являются влажность древесины от 5 до 18 %, наклон волокон не более 15 %, наличие бокового обжима заготовки с усилием до 1 200 Н. Наиболее существенными режимными параметрами, влияющими на усилие прессования, являются ширина проушин, влажность древесины и глубина проушин (в порядке убывания значимости). Усилие прессования шипов толщиной 2,1-2,4 мм в заготовках из древесины сосны со средним размером сечений 24,2*40,2 мм, средней влажностью 5,5 %, составляет 33,6±2,4 кН. Прочность клеевых соединений на прессованные шипы при изгибе достигает 80,2 % от прочности цельной древесины, что соответствует требованиям стандартов на столярно-строительные изделия. Для сращивания заготовок рационально применять соединения на прессованные шипы малой толщины от 2 мм, длиной порядка 10 мм, с натягом до 0,2 мм. Предложенная технология позволяет получить соединения высокого качества при сравнительно низких затратах, в связи с чем можно рекомендовать ее внедрение в промышленное производство.
Ключевые слова: сращивание по длине, прямоугольный шип, прессование древесины.
Conifers of the boreal area. 2020, Vol. XXXVIII, No. 1-2, P. 66-75
METHODOLOGY AND RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCHES INTO JOINTS FORMING PROCESS WITH RECTANGULAR PRESSED TENONS
О. A. Rubleva1, A. G. Gorokhovsky2, E. E. Shishkina2
Vyatka State University 36, Moskovskaya Str., Kirov, 610000, Russian Federation 2Ural State Forest Engineering University 37, Sibirskiy trakt, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation E-mail: olga_ru@vyatsu.ru
Splicing, which is widely applied in wood products producing, is currently carried out by milling of tenons. An alternative method offorming tenons by face pressing is more economical due to lower cost of the tool and the absence of a waste removal operation. The aim of the work is an experimental substantiation of the possibility offorming high-quality joints based on the technology of the wood face pressing. The research program contains 13 stages, grouped in 3 sequentially executed blocks. The implementation of the research program made it possible to formulate the basic technological requirements and recommendations on processing modes. The conditions for the obtaining of high quality indentations are moisture content from 5 to 18 %, slope offibers no more than 15 % and four-sided crimping across the section with the force up to 1 200 N. The most significant operating parameters affecting the pressing force are mortise width, moisture content and mortise depth (in descending order of importance). The pressing force for tenons with a thickness of 2.1 -2.4 mm in pine wood workpieces, with an average cross-sectional size of 24.2*40.2 mm and an average humidity of 5.5 % is 33.6±2.4 kN. The bending strength of joints by means of pressed tenons reaches 80.2 % of solid wood strength, which meets the requirements of joinery standards. For splicing it is rational to use joints on
pressed tenons with small thickness approximately equal to 2 mm, length approximately equal to 10 mm, with an interference fit of up to 0.2 mm. The proposed technology allows obtaining high quality joints at relatively low cost, in connection with which we can recommend its implementation in industrial production.
Keywords: splicing, rectangular tenon, wood pressing.
ВВЕДЕНИЕ
В производстве изделий из древесины широко применяют клеевые соединения по длине на зубчатые шипы [1; 16; 20]. Типовая технология изготовления шипов - фрезерование - имеет ряд недостатков, связанных со сложностью конструкции инструмента и его обслуживания, технологическими ограничениями по размерам шипов, необходимостью удаления стружки, образующейся при резании.
Эти недостатки отсутствуют при изготовлении элементов шиповых соединений с помощью процессов прессования древесины. Способы с использованием холодных или нагретых пуансонов, описанные в [20; 24], ранее применяли для формирования зубчатых шипов с классической клиновидной формой продольного сечения. Особенностью этих способов являются достаточно строгие ограничения по размерам и форме прессуемых шипов, связанные с деформа-тивными свойствами древесины [20].
Предложенная авторами технология [6; 22; 23] на основе способа торцового прессования позволяет формировать прямоугольные шипы разных размеров сечений и длин. Для промышленного внедрения нового способа необходимо обоснование режимных пара-
метров технологии и уровня качества получаемых соединений.
Цель исследования - экспериментально обосновать возможность формирования качественных шиповых соединений деталей из древесины на основе технологии торцового прессования.
Задачи: разработать программу экспериментальных исследований и методику их проведения, выполнить экспериментальные исследования процессов формирования шипов и оценку полученных соединений, сформулировать основные технологические требования и рекомендации по режимам обработки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
На основании результатов анализа проведенных ранее исследований в области прессования, склеивания, формирования шиповых соединений заготовок из древесины [15; 19; 20], выполненного авторами теоретического обоснования механизма формирования прямоугольных проушин в процессе местного торцового прессования [3] и поставленной в работе цели разработана программа экспериментальных исследований (рис. 1).
1 Исследование возможностей применения процесса местного торцового прессования для формообразования элементов шиповых соединений
1.1 Исследование стадий процесса деформирования древесины при внедрении призматического пуансона вдоль волокон
1.2 Исследование качественных изменений структуры древесины при внедрении призматического пуансона
1.3 Определение граничных условий получения качественных отпечатков
1.4 Исследование напряженного состояния материала инструмента и заготовок
2 Исследование процесса формирования элементов шиповых соединений способом торцового прессования
2.1 Исследование влияния режимных параметров на энерго силовые показатели процесса прессования одинарных проушин
2.2 Исследование влияния
режимных параметров процесса прессования на глубину уплотнённой зоны
2.3 Исследование влияния режимных параметров процесса прессования на твердость дна проушины
2.4 Оценка влияния режимных параметров на энергосиловые показатели процесса прессования многократных шипов
3 Исследование показателей качества шиповых соединений, изготовленных способом торцового прессования
3.1 Оценка прочности клеевых соединений
на прессованные прямоугольные шипы
3.2 Оценка точности формирования шипов торцовым прессованием
3.3 Оценка шероховатости граней проушины
3.4 Оценка качества макроструктуры
пластически деформированной зоны
3.5 Исследование влияния геометрических характеристик шипов на прочность соединений
Рис. 1. Программа экспериментальных исследований
Рис. 2. Примеры пуансонов:
а - для формирования одинарной проушины шириной 12 мм, глубиной 30 мм; б - цельный для формирования многократных шипов длиной 20 мм, толщиной 4 мм; в - сборный (сварной из отдельных пластин) для формирования многократных шипов длиной 10 мм, толщиной 2,1 мм
В программу вошли 13 этапов исследований, сгруппированных в 3 последовательно выполненных блока. В блок 1 включены этапы исследования, позволяющие обосновать возможность применения процесса местного торцового прессования для формирования качественных отпечатков в форме прямоугольных проушин в заготовках из древесины различных пород. Блок 2 содержит группу исследований режимов процесса прессования, включая его энергосиловые показатели и качественные характеристики проушин, а также определение рациональных значений технологических параметров. В блок 3 включены этапы исследования, позволяющие оценить качество полученных шиповых соединений.
Для проведения исследований использовали заготовки из древесины сосны, березы, дуба, изготовленные из сухих пиломатериалов смешанной распиловки, имеющие преимущественно тангенциально ориентированную пласть и не содержащие сучков и трещин в зоне прессования. Образцы сечением 25*40 мм и длиной 60 мм для 1 и 2 блока исследований специально увлажняли, кондиционировали или досушивали до достижения требуемой влажности от 5 до 30 %. Заготовки для 3 блока исследований изготавливали сечением 25*40 мм и длиной 160 мм; влажность древесины составила от 4,7 до 9 %.
Формирование опытных отпечатков и прессование элементов шиповых соединений осуществляли в прессах П-10 (ЗИМ) и Т61210М (AE&T), дополненных комплектом специально изготовленной оснастки для базирования, фиксации и обжима заготовок, путем внедрения в древесину пуансонов различных конструкций и типоразмеров (рис. 2) [7].
Определение физико-механических характеристик древесины образцов проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.10-73, ГОСТ 16588-91 с использованием влагомера Hydromette compact (Gann GmbH), весов AJH-620CE (ViBRA), сушильного шкафа ШСП-0,25-60 (НПЛ «Теплоприбор»), пресса П-10.
Для исследования структуры пластически деформированной древесины (этапы 1.1-1.3, рис. 1) [11; 22], оценки точности и качества отпечатков применяли методы электронного сканирования, макро- и микросъемки на сканере HP ScanJet 2380 и растровом микроскопе JSM-6510 LV (JEOL).
Компьютерный эксперимент на этапе 1.4 (рис. 1) для оценки напряженного состояния древесины и материала инструмента проводили в системе КОМПАС-3Б с использованием метода конечных элементов.
Относительную глубину деформированной зоны (этап 2.2, рис. 1) рассчитывали как процентное отношение высоты деформированной зоны под проушиной, к глубине проушины [11]. Измерения проводили посредством нанесения масштабной размерной сетки на фотографии высокого разрешения.
Твердость дна проушин (этап 2.3, рис. 1) оценивали по методу Роквелла с помощью прибора ТР 5014 (Точмашприбор) по параметрам HRL для образцов из древесины сосны и HRM для образцов из древесины березы и дуба. Для обеспечения доступа испытательного наконечника образцы дорабатывали путем срезания боковых стенок проушин [10].
Для склеивания шиповых соединений применяли клеи на основе поливинилацетатной дисперсии марок ПВА Супер (ПАО «Акрон»), Момент Столяр (ООО «Хенкель Рус»), Titebond II Premium (Franklin International). После склеивания образцы для исследования прочности при изгибе фрезеровали до получения толщины 20 мм, а образцы для исследования прочности при растяжении раскраивали для получения толщины 10 мм [12].
Предел прочности клеевых соединений при статическом изгибе определяли в соответствии с ГОСТ 15613.4-78 на образцах натурных размеров на универсальной испытательной машине УММ-5 (ЗИМ), при растяжении - в соответствии с ГОСТ 15613.5-78 на разрывной машине Р-5 (ЗИМ) (этапы 3.1, 3.5, рис. 1).
Постоянные и переменные факторы экспериментов и диапазоны их варьирования выбирали на основании результатов предшествующих работ [1; 15; 20] и результатов поисковых экспериментов. Постановку экспериментов на этапах 2.1-2.3 (рис. 1) осуществляли по полному факторному плану типа 23 для образцов из древесины березы и дуба; для образцов из древесины сосны - по плану Бокса-Бенкена (некомпозиционному плану второго порядка для трех факторов) [13]. Для исследования взаимосвязи данных, полученных на этапах 2.4, 3.1, 3.5, применяли методику ANO VA (дисперсионный анализ). Статистический анализ
полученных данных проводили с доверительной вероятностью 95 % при помощи программных пакетов Microsoft Excel и Statistica.
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Пошаговая реализация 13 этапов исследования, вошедших в блоки 1-3 (рис. 1), позволила получить ряд результатов и выводов, последовательно обосновывающих возможности применения технологии торцового прессования для формирования шиповых соединений деталей из древесины. Ввиду ограниченности объема публикации подробно осветить каждый из реализованных этапов не представляется возможным, поэтому ниже приведено краткое описание основных полученных результатов и их обсуждение.
Стадии процесса деформирования древесины при внедрении призматического пуансона вдоль волокон
Процесс пластического деформирования древесины при внедрении призматического индентора исследован на примере образцов из древесины типичных пород: хвойной (сосны), лиственной рассеянно-сосудистой (березы), лиственной кольцесосудистой (дуба). Первоначальную оценку структурных изменений древесины проводили с использованием увеличенных изображений образцов, что вполне применимо на начальных этапах исследований [21]. На рис. 3 представлены фотографии, иллюстрирующие этапы формирования проушины в образце из древесины сосны влажностью 12 % при внедрении пуансона с размерами поперечного сечения 12*25 мм.
При внедрении пуансона вдоль волокон начинается процесс местного сжатия древесины. На первой стадии под рабочим торцем пуансона возникает упругая деформация древесины, достигающая 8 %. Далее, при достижении пикового напряжения (для древесины сосны не более 60 МПа) происходит скалывание площадки древесины под рабочим торцем и сдвиг вдоль волокон (рис. 3 а), сопровождающийся местным смятием. При продвижении пуансона в глубь заготовки (рис. 3 б—г) формируются поверхности скольжения, совпадающие с гранями проушины. При этом пластически деформированная зона древесины увеличивается по высоте, несколько расширяясь в тангенциальном направлении за счёт изгиба поздних слоев [21]. По завершении процесса под рабочим
торцем пуансона сформирована «пробка» из спрессованной древесины высотой, соразмерной или меньшей глубины проушины, что согласуется с ранее полученными данными [19].
Качественные изменения структуры древесины при внедрении призматического пуансона
Для исследования структуры древесины в пластически деформированных участках из зоны под проушиной извлекли малые образцы сечением 3*3 мм с поверхностями, полученными скалыванием (рис. 4, а) и срезом (рис. 4, б). Анализ изображений, полученных с помощью электронного сканирования (рис. 4), показал, что в слоях ранней древесины сформировались неравномерные складки высотой от 67 до 333 мкм, шириной от 138 до 650 мкм, в слоях поздней древесины - относительно равномерные складки высотой от 277 до 500 мкм, шириной от 290 до 330 мкм. Структурные элементы древесины вне зон складок практически не изменены, соседние недеформированные участки древесины сохраняют свою первоначальную структуру. «Пробку» из спрессованной древесины можно рассматривать как более плотное включение в структуру по типу сучка, незначительно влияющее на общие свойства основного объема древесины [21; 22].
Граничные условия получения качественных отпечатков
В образцах из древесины сосны, березы, дуба влажностью от 5 до 30 % путем внедрения инденто-ров призматической формы вдоль волокон сформировали проушины шириной 4, 12 и 20 мм глубиной до 30 мм. Отпечатки наиболее высокого качества (рис. 5) получены в сухой древесине влажностью от 5 до 18 %, с наклоном волокон не более 15 % для образцов из древесины сосны и не более 10 % для образцов и древесины березы и дуба. Необходимым условием достижения высокого качества отпечатков являлось также наличие бокового обжима заготовок в процессе прессования, с усилием 1 кН для образцов из древесины сосны, 1,2 кН из древесины березы и дуба.
При нарушении указанных условий и увеличении глубины внедрения пуансона более двух с половиной ширин проушины существенно возрастает риск возникновения дефектов: задиров волокон, выпуклости дна проушины, микротрещин (рис. 5, а) и трещин (рис. 5, б).
а б в г
Рис. 3. Стадии формирования проушины шириной 12 мм, глубиной 11 мм в образце из древесины сосны: а-г - стадии процесса деформирования
Рис. 4. Микрофотографии пластически деформированной зоны в образце из древесины сосны: а - поверхность скалывания в радиальной плоскости; б - поверхность среза в тангенциальной плоскости
Рис. 5. Примеры качественных проушин:
а - шириной 20 мм, глубиной 8 мм в образце из древесины сосны; б - шириной 4 мм, глубиной 8 мм в образце из древесины березы; в - шириной 4 мм, глубиной 8 мм в образце из древесины дуба (масштаб рисунка (в) действителен для остальных рисунков)
Рис. 6. Примеры дефектов отпечатков:
а - выпуклость дна проушины шириной 20 мм в образце из древесины сосны с влажностью 30 %; б - трещина под проушиной шириной 4 мм в образце из древесины березы с наклоном волокон 11 %
Найденные условия формирования качественных проушин были использованы для определения диапазона варьирования факторов на последующих этапах экспериментальных исследований.
Оценка напряженного состояния материала инструмента и заготовок.
Моделирование на основе метода конечных элементов проводили для заготовок древесины сосны с характеристиками, принятыми по источнику [14] при влажности 12 %, и пуансона из стали СтЗсп [5] с пятью рабочими выступами толщиной 4,2 мм. Конечно-элементную сетку создали из тетраэдров с длиной стороны 1,25 мм, с максимальным коэффициентом сгущения на поверхности, равным 1, и коэффициентом разрежения в объёме, равным 1,5. В результате моделирования процесса прессования получены значения напряжений по Мизесу в заготовке и инструменте [2].
Максимальные напряжения в заготовке, превышающие предел прочности древесины на сжатие, концентрируются непосредственно под рабочими торцами пуансона, формирующими отпечаток [2]. Это подтверждает возможность получения качественных
отпечатков в виде проушин за счет деформирования зон древесины под дном проушин, без разрушения прилегающих боковых граней шипов.
Максимальные значения напряжений в пуансоне концентрируются на рабочих кромках и не превышают 143 МПа [2], что приблизительно в 2,6 раза ниже предела прочности и в 1,5 раза ниже предела текучести исследуемого материала. Это позволяет рекомендовать сталь СтЗсп для изготовления пуансонов, учитывая её распространенность и доступность по стоимости.
Влияние режимных параметров на энергосиловые показатели процесса прессования одинарных проушин.
Результаты предыдущих этапов исследований 1.11.4 (рис. 1), описанных выше, позволили установить, что на основной показатель энергосиловых затрат -усилие прессования - наиболее существенно влияют влажность древесины Ш, ширина В и глубина к„ формируемых проушин. Реализация полного факторного эксперимента типа 23 для образцов из древесины березы и дуба, а также плана Бокса-Бенкена для трех фак-
торов для образцов из древесины сосны [23] в диапазоне Ж = 6-18 %, В = 4-20 мм, кп = 4-11 мм позволили получить регрессионные модели для расчета усилия прессования:
- для образцов из древесины сосны
^ = 9812,21 - 961,04Ж -1486,61кп + 2068,88В + +30,24Ж2 + 64,92кп2 + 45,76Жкп - 68,03ЖВ;
- из древесины березы
¥еЪ = 20055,68 - 2598,93Ж - 2487,66кп + +1719,25В + 371,88Жкп -40,61кпВ;
- из древесины дуба
^ =-39116,47 + 5565,30Ж + 7227,52кп + 2645,99В -
-988,84Жкп - 77,23ЖВ - 487,07кпВ + 60,88ЖкпВ.
Анализ полученных моделей показывает, что наиболее существенным режимным параметром является ширина проушины. Величина усилия прессования в исследованном диапазоне (на примере древесины сосны) составляет от ^ = 4130 Н при В = 4 мм до ^ = 23140 Н при В = 20 мм. На втором месте по влиянию на усилие прессования находится влажность древесины. Эти выводы согласуются с результатами теоретических исследований авторов [3] и с данными, полученными другими исследователями [17; 19; 21]. Отдельно стоит отметить сравнительно малое влияние увеличения глубины проушины на возрастание усилия прессования. Это позволяет конструировать соединения с необходимой глубиной проушин, что предположительно увеличивает прочность клеевых соединений [1; 18; 20].
Влияние режимных параметров на глубину уплотненной зоны и твердость дна проушины
В результате реализации экспериментов по планам, приведенным выше, получены регрессионные модели для определения относительной глубины уплотненной зоны к3 под проушиной [4; 22] и увеличения твердости дна проушины ИИЬ и НИМ [10]:
- для образцов из древесины сосны
к35 =-27,28 + 12,69Ж + 6,14кп + 3,21В --0,34Ж2 -1,10к2 - 0,16В2 - 0,32ЖВ + 0,76кпВ; ИЯЬ = 136,94 + 12,20Ж - 13,89кп + 7,41В-
-1,06Ж2 -0,35В2 +1,25 Жкп + 0,29ЖВ-0,20кпВ;
- из древесины березы
к3В = 860,40 - 73,45Ж - 67,5кп -
- 20,68В + 5,81Жкп + 1,72ЖВ + 0,87кпВ;
ИЯМ = 158,47-5,39Ж + 12,83кп -0,60кпВ + 3,62В;
- из древесины дуба
к30 = -937,09 +136,72Ж + 94,98кп + +29,23В- 13,21Жкп -3,14ЖВ;
ИЯМ = 246,80 - 7,28Ж -1,43кп - 4,94В + 0,52кпВ.
Анализ полученных моделей показывает, что на данные показатели качества проушин наиболее сильно влияет влажность древесины. Глубина уплотнённой зоны (на примере древесины сосны) в зависимости от условий прессования колеблется в диапазоне приблизительно от 41 % (при кп = 11 мм, Ж = 13 %, В = 4 мм) до 105 % (например, при кп = 8 мм, Ж = 8 %, В = 20 мм). Максимальное увеличение твердости дна проушины по сравнению с исходной твердостью древесины составляет 202 % для древесины сосны, 213 % для древесины березы, 175 % для древесины дуба.
На основании результатов исследований на этапах 2.1-2.3 (рис. 1) определены рациональные значения параметров процесса торцового прессования проушин в исследованном диапазоне, обеспечивающие высокое качество отпечатков при минимальных энергозатратах: для древесины сосны - влажность Ж = 8 %, глубина проушины кп = 11 мм, ширина проушины В = 4 мм; для древесины березы - Ж = 8 %, кп = 8 мм, В = 4 мм; для древесины дуба - Ж = 9 %, кп = 6 мм, В = 4 мм [10]. Установлено основное направление совершенствования процесса: уменьшение ширины прессуемых проушин.
Влияние режимных параметров на энергосиловые показатели процесса прессования многократных шипов
Для апробации результатов, полученных на этапах 2.1-2.3 для одинарных проушин, на технологии формирования многократных проушин, провели следующую серию экспериментов. С использованием специальных пуансонов (рис. 2, б) на торцах заготовок различных пород были сформированы элементы шиповых соединений типоразмеров А и Б. Для типоразмера А ширина проушин составляла 2,2 мм, глубина 10 мм, шаг шипов 4,2 мм (рис. 7); для типоразмера Б соответственно 4,2 мм, 20 мм, 8,2 мм. Средние значения усилия прессования достигли: для образцов из древесины сосны, типоразмер А - 28237 Н, типоразмер Б - 28733 Н; березы - 41815 Н и 43292 Н; дуба -49463 Н и 54268 Н, при средней влажности древесины сосны 13,6 %, березы - 7,9 %, дуба - 8,6 %. Эти данные согласуются с результатами расчетов по регрессионным моделям, разработанным на этапе 2.1, с учетом количества формируемых проушин.
а б
Рис. 7. Образцы клеевых соединений на прессованные шипы типоразмера А: а - из древесины сосны; б - из древесины березы
Проведенные авторами теоретические исследования в области совершенствования прочностных показателей шиповых соединений [9] обусловили введение в число варьируемых факторов характеристик посадки по толщине шипа (ширине проушины): величины зазора (натяга). В соответствии с этим для обработки в промышленных условиях партий заготовок с заданными размерами сечения и влажностью, изменяющимися в пределах допускаемых отклонений, необходима оценка влияния величины зазора (натяга) и глубины формируемых проушин на усилие прессования. С этой целью провели серию экспериментов по формированию шипов толщиной 2,1-2,4 мм с шагом 4,3-4,6 мм и величиной зазора (натяга) от -0,1 до 0,2 мм в заготовках из древесины сосны, с использованием сборных пуансонов (рис. 2, в) [7]. Диапазон варьирования размеров заготовки: по толщине 24,24±0,52 мм, ширине 40,20±0,63 мм; влажность варьировалась в пределах 5,49±0,59 %; глубина проушины составила к„ = 5,5+10,3 мм. Регрессионный анализ данных показал, что наиболее важными предикторами для усилия прессования Е в исследованном диапазоне являются переменные кп (глубина проушины) и N (величина зазора/натяга):
Е = 20246,59 + 696, 88кп - 2881,98N + +159,88В -129,96Ш + 86,80£.
При этом усилие прессования изменяется в пределах 33592,87±2367,9 Н, что составляет около ±7 %. Таким образом, при формировании элементов шиповых соединений способом торцового прессования обеспечивается технологическая стабильность процесса. Это позволяет варьировать посадку и длину шипов в пределах исследованного диапазона с целью получения заданных прочностных характеристик без значимого увеличения энергозатрат на изготовление соединения.
Прочность клеевых соединений на прессованные шипы
Проведена экспериментальная оценка прочности склеивания по длине на прямоугольные прессованные шипы [12]. Показатель «относительная прочность», широко применяемый для характеристики клеевых соединений [1; 20], рассчитывали как процентное отношение прочности шипового соединения к прочности цельной древесины. Соединения типа А (с мелкими шипами толщиной 2,2 мм) показали лучшие результаты по относительной прочности при растяжении, равной 59,5 %, по сравнению с типом Б - 53,2 %. Средняя прочность при изгибе для обоих типов соединений составила 80,2 %. Это соответствует требованиям ГОСТ 20850-2014, ГОСТ 33080-2014, ГОСТ 33081-2014 к прочности пиломатериалов класса С30 и клееных деревянных конструкций класса К36. Полученные результаты подтверждают возможность применения прессованных прямоугольных шипов для изготовления соединений в столярно-строительных и других изделиях в соответствии с ГОСТ 24700-99, ГОСТ 30972-2002.
Точность формирования и шероховатость поверхностей шипов
Формирование шипов с использованием базирующих и обжимных устройств позволяет достичь
точности изготовления не ниже 13 квалитета, требуемого в ГОСТ 9330-2016. Так, максимальные отклонения ширин проушин с номинальным значением 2,2 мм, измеренные с использованием микроскопа, составили не более +0,134 мм; максимальные отклонения глубин проушин с номинальным значением 20 мм составили +0,098 мм [22].
Дно проушины имеет низкую шероховатость с максимальной высотой неровностей не более 86 мкм. При этом поры «запечатаны» за счет наклона и сплющивания поверхностных волокон [22]. Это снижает вероятность ослабления клеевого соединения по причине высокой впитываемости клея при его нанесении на торцовые поверхности.
Качество макроструктуры пластически деформированной зоны
В перечень показателей, разработанный авторами в соответствии с квалиметрическим подходом к оценке качества шиповых соединений [4; 11; 12], вошел эстетический показатель «качество макроструктуры пластически деформированной зоны». При вертикальном расположении шва потребителю видны участки пластически деформированной древесины, и они не должны снижать эстетичность внешнего вида изделия. Оценка, проведенная путем сравнения с эталонной (недеформированной) древесиной по пятибалльной шкале с помощью экспертного метода, показала достаточно высокие результаты. В 77 % образцов из древесины сосны макроструктура деформированных зон получила оценки в 4 и 5 баллов (практически незаметные невооруженным глазом изменения макроструктуры), в 15 % -3 балла (малозаметные изменения). Образцы из древесины березы и дуба в основном получили менее высокие оценки в 3-4 балла, что связано с большей плотностью древесины и видимым потемнением уплотненных участков. Лучшие оценки получены для древесины с наклоном волокон не более 10-15 %, что соответствует требованиям к заготовкам, сформулированным на этапе исследований 1.3 (рис. 1).
Подводя промежуточный итог этапов исследований 3.1-3.4, можно отметить, что по совокупности показателей соединения на прессованный прямоугольный шип не уступают по качеству традиционно применяемым зубчатым шиповым соединениям [4; 11; 12]. В дополнение к этому, затраты на изготовление прессованных шипов ниже в связи с низкой стоимостью изготовления и обслуживания инструмента [8], меньшими энергозатрами, что говорит о высокой конкурентоспособности предлагаемого соединения.
Влияние геометрических характеристик шипов на прочность соединений
На завершающем этапе 3.5 (рис. 1) исследовано влияние величины зазора (натяга) и глубины формируемых проушин на прочность соединений. Выше показано, что данные параметры в перспективе могут повысить прочность соединений, при этом несущественно влияя на увеличение энергосиловых затрат при прессовании шипов. В соединениях с шипами толщиной от 2,1 до 2,4 мм варьировали глубину проушины кп в диапазоне от 5,5 до 10,3 мм и величину зазора
(натяга) N от -0,1 до 0,2 мм. С увеличением натяга от 0 до 0,2 мм относительная прочность соединений возросла в среднем на 4 %, с увеличением глубин проушин от минимального до максимального значения в исследованном диапазоне прочность возросла на 3,7 %. Таким образом, для сращивания заготовок можно рекомендовать применение соединений с прессованными шипами малой толщины от 2 мм, длиной порядка 10 мм, с натягом до 0,2 мм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для экспериментальных исследований процесса формирования клеевых соединений на прямоугольные прессованные шипы разработана программа, включающая 13 этапов исследований, сгруппированных в 3 последовательно выполненных блока. Реализация программы исследований позволила установить основные положения технологии прессования элементов шиповых соединений и рекомендации по режимам обработки.
Отпечаток в виде прямоугольной проушины формируется при внедрении призматического пуансона вдоль волокон древесины за счёт её местного пластического деформирования. Условиями формирования отпечатков высокого качества являются влажность древесины от 5 до 18 %, наклон волокон не более 15 %, наличие бокового обжима заготовки с усилием до 1 200 Н. К прочности пуансона не предъявляется повышенных требований, и он может быть изготовлен из доступного материала Ст3сп.
Наиболее существенными режимными параметрами, влияющими на усилие прессования, являются ширина проушины, влажность древесины и глубина проушин. При обработке партии заготовок с заданными размерами сечения и влажностью, изменяющимися в пределах допускаемых отклонений, процесс прессования проходит относительно стабильно, позволяя получать шипы разной длины в диапазоне 5,5-10,3 мм без существенного увеличения усилия прессования. Усилие прессования шипов толщиной 2,1-2,4 мм в заготовках со средним размером сечений 24,2*40,2 мм, средней влажностью 5,5 %, составляет 33,6±2,4 кН.
Достигаемая точность формирования шипов - не ниже 13 квалитета. Прочность клеевых соединений на прессованные шипы при изгибе достигает 80,2 % от прочности цельной древесины, что соответствует требованиям стандартов на столярно-строительные изделия. Для сращивания заготовок рационально применять соединения с прессованными шипами малой толщины от 2 мм, длиной порядка 10 мм, с натягом до 0,2 мм.
Предложенная технология формирования шиповых соединений на основе способа торцового прессования позволяет получить соединения высокого качества при сравнительно низких затратах на инструмент и обеспечение энергией, в связи с чем можно рекомендовать ее внедрение в промышленное производство.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Волынский В. Н. Технология клееных материалов. СПб. : Профикс, 2008. 392 с.
2. Демидов Н. Н., Рублева О. А. Моделирование процесса прессования проушины в заготовках из древесины сосны // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: материалы XVI Всерос. на-уч.-техн. конф. студ. и асп. УГЛТУ, 2020. С. 16-19.
3. Кузнецов Г. П., Рублева О. А. Модель для расчета усилия прессования прямоугольной проушины в деревянной заготовке // Наука - производство - технология - экология : сб. материалов Всерос. ежегод. науч.-техн. конф. Киров : Изд-во ВятГУ. 2002. Т. 3. С. 59-60.
4. Кузнецов Г. П., Рублева О.А. Экспериментальное исследование показателей качества и усилия прессования прямоугольной проушины в заготовке из древесины сосны // Наука - производство - технология - экология : сб. материалов Всерос. ежегод. науч.-техн. конф. Киров : Изд-во ВятГУ. 2006. Т. 5 . С. 175179.
5. Марочник стали и сплавов [Электронный ресурс]. URL: http://www.splav-kharkov.com/main.php (дата обращения: 06.02.2020).
6. Рублева О. А. Способ формирования элементов шиповых соединений деревянных заготовок // Пат. 2741614 Рос. Федерация. № 2011116271/13; заявл. 25.04.2011; опубл. 10.01.2013, приоритет 25.04.11.
7. Рублева О. А. Сборный инструмент для штампования древесины // Пат. 2694434 Рос. Федерация. № 2018122588; заявл. 20.06.2018; опубл. 16.07.2019 бюл. № 20, приоритет 20.06.2018.
8. Рублева О. А. Формирование элементов шиповых соединений способом торцового прессования : дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05. Киров, 2011. 215 с.
9. Рублева О. А., Гороховский А. Г. Посадки в клеевых соединениях на прямоугольные шипы // Advanced Science. 2019. № 4 (13). С. 45-49. DOI: 10.25730/VSU.0536.19.044.
10. Рублева О.А. Исследование влияния режимов торцового прессования на твердость дна проушин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса : матер. Междунар. науч.-техн. конф. (6 дек. 2011 г., Вологда). Вологда : ВоГТУ, 2012. С. 105-107.
11. Рублева О. А. Методика оценки уровня качества шиповых соединений // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. по итогам Между-нар. науч.-техн. конф. Вып. 32. Брянск : БГИТА, 2012. С. 116-120.
12. Рублева О. А., Кузнецов Г. П. Качество шипов, изготовленных холодным торцовым прессованием // Вестник Моск. гос. ун-та леса - Лесн. вестник. М. : МГУЛ, 2010. Вып. 4. С. 160-163.
13. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М. : Машиностроение, 1981. 184 с.
14. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М. : МГУЛ, 2001. 340 с.
15. Хухрянский П. Н. Прессование древесины. М. : Лесн. пром-сть, 1964. 352 с.
16. Barboutis I., Vasileiou V. Strength of finger-jointed beech wood (Fagus sylvatica) constructed with small finger lengths and bonded with PU and PVAC adhesives // PROLigno, ISSN-L4737. 2013. Т. 9, № 4. С. 359-364.
17. Brabec M., Tippner J., Sebera V., Milch J., Rademacher P. Standard and non-standard deformation behaviour of European beech and Norway spruce during compression // Holzforschung. 2015. Т. 69, №. 9. С. 1107-1116. DOI: 10.1515/hf-2014-0231
18. Erdil Y. Z., Kasal A., Eckelman C. A. Bending moment capacity of rectangular mortise and tenon furniture joints // Forest Products Journal. 2005. Т. 55, № 12. С. 209.
19. Hesselbach J., Hoffmeister H.W., Loohfi T. Punching in industrial wood machining: an alternative production process to drilling // Production Engineering. 2007. Т. 1, №. 4. С. 365-370.
20. Jokerst R. W. Finger-Jointed Wood Products. Forest Products Lab Madison Wi, №. FSRP-FPL-382.
1981. 26 с.
21. Kucera L. J., Bariska M. On the fracture morphology in wood // Wood Science and Technology.
1982. Т. 16, № 4. С. 241-259.
22. Rubleva O. A. Structural changes of Scots pine wood caused by local pressing in the longitudinal direction // Drewno. 2019. Т. 62, № 204. С. 23-39. DOI: 10.12841/wood.1644-3985.268.06.
23. Rubleva O. A., Gorokhovsky A. G. Prediction model for the pressing process in an innovative forming joints technology for woodworking // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Т. 537, № 2. Ст. 022064. DOI: 10.1088/1757-899X/537/2/ 022064.
24. Strickler M. D. Finger jointing of lumber // Пат. 3262723 США, 1966.
REFERENCES
1. Volynskij V. N. Tekhnologiya kleenyh materialov [Technology of glued materials]. St. Petersburg, PROFIKS Publ., 2008, 392 p. (In Russ.)
2. Demidov N. N., Rubleva O. A. Modelirovanie processa pressovaniya proushiny v zagotovkah iz drevesiny sosny [Modeling of the process of mortise pressing in pine wood blanks]. Nauchnoe tvorchestvo molodezhi - lesnomu kompleksu Rossii: materialy XVI Vseros. nauch.-tekhn. konf. stud. i asp. [Scientific creativity of youth-to the forest complex of Russia: Proc. All-russ. Sci. Techn. Conf.]. UGLTU Publ., 2020, P. 1619. (In Russ.)
3. Kuznecov G. P., Rubleva O. A. Model' dlya rascheta usiliya pressovaniya pryamougol'noj proushiny v derevyannoj zagotovke [Model for calculating the pressing force of a rectangular mortise in a wooden billet]. Nauka -proizvodstvo - tekhnologiya - ekologiya : sbornik materialov Vseros. ezhegodnoj nauch.-tekhn. konf. [Science-production-technology-ecology : Proc. Allruss. Sci. Techn. Conf.]. Kirov, VyatGU Publ., 2002, Vol. 3, P. 59-60. (In Russ.)
4. Kuznecov G. P., Rubleva O. A. Eksperimental'noe issledovanie pokazatelej kachestva i usiliya pressovaniya pryamougol'noj proushiny v zagotovke iz drevesiny sosny [Experimental study of quality indicators and pressing force of a rectangular mortise in a pine wood blank]. Nauka - proizvodstvo - tekhnologiya - ekologiya : sbornik materialov Vseros. ezhegodnoj nauch.-tekhn. konf. [Science-production-technology-ecology : Proc. All-
russ. Sci. Techn. Conf.]. Kirov, VyatGU Publ., 2006, Vol. 5, P. 175-179. (In Russ.)
5. Marochnik stali i splavov [Reference book of steel and alloys]. Available at: http://www.splav-kharkov.com/main.php (accessed: 06.02.2020). (In Russ.)
6. Rubleva O. A. Sposob formirovaniya ehlementov shipovyh soedinenij derevyannyh zagotovok [Method of forming finger joints in wood blanks]. 2013. Patent RF № 2471614.
7. Rubleva O. A. Sbornyj instrument dlya shtampovaniya drevesiny [Composite punch for punching wood]. 2018. Patent RF № 2018122588.
8. Rubleva O. A. Formirovanie ehlementov shipovyh soedinenij sposobom torcovogo pressovaniya : dis. ... kand. tekhn. nauk [Shaping of finger joints' elements by technique of pressing in logitudinal direction: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Kirov, 2011, 215 p. (In Russ.)
9. Rubleva O. A., Gorokhovsky A. G. Posadki v kleevyh soedineniyah na pryamougol'nye shipy [Fits in rectangular finger joints]. Advanced Science, 2019, Vol. 4, Iss. 13, P. 45-49. (In Russ.) DOI 10.25730/VSU.0536.19.044
10. Rubleva O. A. Issledovanie vliyaniya rezhimov torcovogo pressovaniya na tverdost' dna proushin [Investigation of the influence of the longitudional pressing modes to the hardness of the mortises bottom]. Aktual'nye problemy razvitiya lesnogo kompleksa: mater. mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Actual problems of development of the forestry complex : Proc. Intern. Sci. Techn. Conf.]. (6 Dec. 2011. Vologda). Vologda, VoSTU Publ., 2012, P. 105-107. (In Russ.)
11. Rubleva O. A. Metodika ocenki urovnya kachestva shipovyh soedinenij [Method for evaluating the quality level of joints]. Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa: sbornik nauch. trudov po itogam mezhdunar. nauch. tekhn. konf. [Current problems of the forest complex : Proc. Intern. Sci. Techn. Conf.]. Iss. 32. Bryansk, BGITA Publ., 2012, P. 116-120. (In Russ.)
12. Rubleva O. A., Kuznecov G. P. Kachestvo shipov, izgotovlennyh holodnym torcovym pressovaniem [Quality of cold-pressed tenons]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa - Lesnoj vestnik [Bulletin of the Moscow state University of the forest -Forest Bulletin], 2010. Vol. 4, P. 160-163. (In Russ.)
13. Spiridonov A. A. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii tekhnologicheskih processov [Planning an experiment in the study of technological processes]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 184 p. (In Russ.)
14. Ugolev B. N. Drevesinovedenie s osnovami lesnogo tovarovedeniya [Wood science with the basics of forest commodity science]. Moscow, MGUL Publ., 2001, 340 p. (In Russ.)
15. Huhryanskij P. N. Pressovanie drevesiny [Wood pressing]. Moscow, Lesnaya promyshlennost' Publ., 1964, 352 p. (In Russ.)
16. Barboutis I., Vasileiou V. Strength of finger-jointed beech wood (Fagus sylvatica) constructed with small finger lengths and bonded with PU and PVAC adhesives. PROLigno, ISSN-L4737, 2013, Vol. 9, Iss. 4, P. 359-364.
17. Brabec M., Tippner J., Sebera V., Milch J., Rademacher P. Standard and non-standard deformation
behaviour of European beech and Norway spruce during compression. Holzforschung, 2015, Vol. 69, Iss. 9, P. 1107-1116. DOI: 10.1515/hf-2014-0231.
18. Erdil Y. Z., Kasal A., Eckelman C. A. Bending moment capacity of rectangular mortise and tenon furniture joints. Forest Products Journal, 2005, Vol. 55, Iss. 12, P. 209-213.
19. Hesselbach J., Hoffmeister H. W., Loohft T. Punching in industrial wood machining: an alternative production process to drilling. Production Engineering, 2007, Vol. 1, Iss. 4, P. 365-370.
20. Jokerst R. W. Finger-jointed wood products. Forest Products Lab Madison Wi, №. FSRP-FPL-382,
1981, 26 p.
21. Kucera L. J., Bariska M. On the fracture morphology in wood. Wood Science and Technology,
1982, Vol. 16, Iss. 4, P. 241-259.
22. Rubleva O. A. Structural changes of Scots pine wood caused by local pressing in the longitudinal direction. Drewno, 2019, Vol. 62, Iss. 204, P. 23-39. DOI: 10.12841/wood.1644-3985.268.06.
23. Rubleva O. A., Gorokhovsky A. G. Prediction model for the pressing process in an innovative forming joints technology for woodworking. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., Vol. 537, Iss. 2, Article 022064. DOI: 10.1088/1757-899X/537/2/022064.
24. Strickler M. D. Finger jointing of lumber. U.S. Patent No. 3,262,723. 1966.
© Рублева О. А., Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е., 2020
Поступила в редакцию 30.04.2020 Принята к печати 05.09.2020
